Vplyv rôznych teplôt na rast CVD SiC povlaku

Čo je CVD SiC povlak?

Chemické nanášanie z pár (CVD) je proces vákuového nanášania používaný na výrobu vysoko čistých pevných materiálov. Tento proces sa často používa v oblasti výroby polovodičov na vytváranie tenkých vrstiev na povrchu doštičiek. Pri procese prípravy karbidu kremíka metódou CVD je substrát vystavený jednému alebo viacerým prchavým prekurzorom, ktoré chemicky reagujú na povrchu substrátu a vytvárajú požadované usadeniny karbidu kremíka. Spomedzi mnohých metód prípravy materiálov z karbidu kremíka majú produkty pripravené chemickým nanášaním z pár vyššiu rovnomernosť a čistotu a táto metóda má silnú kontrolovateľnosť procesu. CVD materiály z karbidu kremíka majú jedinečnú kombináciu vynikajúcich tepelných, elektrických a chemických vlastností, vďaka čomu sú veľmi vhodné na použitie v polovodičovom priemysle, kde sú potrebné vysokovýkonné materiály. CVD komponenty z karbidu kremíka sa široko používajú v leptacích zariadeniach, MOCVD zariadeniach, Si epitaxných zariadeniach a SiC epitaxných zariadeniach, zariadeniach na rýchle tepelné spracovanie a ďalších oblastiach.

Tento článok sa zameriava na analýzu kvality tenkých vrstiev vypestovaných pri rôznych procesných teplotách počas prípravyCVD SiC povlak, aby sa zvolila najvhodnejšia procesná teplota. Experiment používa grafit ako substrát a trichlórmetylsilán (MTS) ako reakčný zdroj plynu. Povlak SiC sa nanáša nízkotlakovým CVD procesom a mikromorfológiaCVD SiC povlaksa pozoruje skenovacou elektrónovou mikroskopiou na analýzu jeho štrukturálnej hustoty.

Pretože povrchová teplota grafitového substrátu je veľmi vysoká, medziľahlý plyn sa desorbuje a uvoľňuje z povrchu substrátu a nakoniec C a Si, ktoré zostávajú na povrchu substrátu, vytvoria tuhú fázu SiC za vzniku SiC povlaku. Z vyššie uvedeného procesu rastu CVD-SiC je zrejmé, že teplota ovplyvňuje difúziu plynu, rozklad MTS, tvorbu kvapôčok a desorpciu a uvoľňovanie medziľahlého plynu, takže teplota nanášania zohráva kľúčovú úlohu v morfológii SiC povlaku. Mikroskopická morfológia povlaku je najintuitívnejším prejavom hustoty povlaku. Preto je potrebné študovať vplyv rôznych teplôt nanášania na mikroskopickú morfológiu CVD SiC povlaku. Keďže MTS dokáže rozkladať a ukladať SiC povlak medzi 900~1600 ℃, tento experiment vyberá päť depozičných teplôt 900 ℃, 1000 ℃, 1100 ℃, 1200 ℃ a 1300 ℃ na prípravu SiC povlaku s cieľom študovať vplyv teploty na CVD-SiC povlak. Konkrétne parametre sú uvedené v tabuľke 3. Obrázok 2 znázorňuje mikroskopickú morfológiu CVD-SiC povlaku vypestovaného pri rôznych depozičných teplotách.

Pri teplote nanášania 900 ℃ všetok SiC rastie do tvaru vlákien. Je vidieť, že priemer jedného vlákna je približne 3,5 μm a jeho pomer strán je približne 3 (<10). Okrem toho sa skladá z nespočetného množstva nanočastíc SiC, takže patrí do polykryštalickej štruktúry SiC, ktorá sa líši od tradičných nanodrôtov SiC a monokryštálových SiC fúzov. Tento vláknitý SiC je štrukturálny defekt spôsobený neprimeranými procesnými parametrami. Je vidieť, že štruktúra tohto SiC povlaku je relatívne voľná a medzi vláknitým SiC je veľké množstvo pórov a hustota je veľmi nízka. Preto táto teplota nie je vhodná na prípravu hustých SiC povlakov. Štrukturálne defekty vláknitého SiC sú zvyčajne spôsobené príliš nízkou teplotou nanášania. Pri nízkych teplotách majú malé molekuly adsorbované na povrchu substrátu nízku energiu a slabú migračnú schopnosť. Preto majú malé molekuly tendenciu migrovať a rásť k najnižšej povrchovej voľnej energii zŕn SiC (napríklad k hrotu zrna). Neustály smerový rast nakoniec vytvára štrukturálne defekty vláknitého SiC.

Príprava CVD SiC povlaku:

Najprv sa grafitový substrát umiestni do vysokoteplotnej vákuovej pece a udržiava sa pri teplote 1500 ℃ počas 1 hodiny v argónovej atmosfére na odstránenie popola. Potom sa grafitový blok nareže na bloky s rozmermi 15x15x5 mm a povrch grafitového bloku sa vyleští brúsnym papierom s veľkosťou zrna 1200, aby sa odstránili povrchové póry, ktoré ovplyvňujú ukladanie SiC. Ošetrený grafitový blok sa premyje bezvodým etanolom a destilovanou vodou a potom sa umiestni do pece pri teplote 100 ℃ na sušenie. Nakoniec sa grafitový substrát umiestni do hlavnej teplotnej zóny rúrkovej pece na ukladanie SiC. Schéma systému chemického nanášania z pár je znázornená na obrázku 1.

Ten/Tá/ToCVD SiC povlakbol pozorovaný skenovacou elektrónovou mikroskopiou za účelom analýzy veľkosti a hustoty častíc. Okrem toho bola rýchlosť nanášania SiC povlaku vypočítaná podľa nasledujúceho vzorca: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC = rýchlosť nanášania; m2 – hmotnosť vzorky náteru (mg); m1 – hmotnosť substrátu (mg); S – plocha povrchu substrátu (mm2); t - čas nanášania (h).   CVD-SiC je relatívne zložitý proces a možno ho zhrnúť takto: pri vysokej teplote sa MTS tepelne rozkladá za vzniku malých molekúl zdroja uhlíka a kremíka. Malé molekuly zdroja uhlíka zahŕňajú najmä CH3, C2H2 a C2H4 a malé molekuly zdroja kremíka zahŕňajú najmä SiCl2, SiCl3 atď.; tieto malé molekuly zdroja uhlíka a kremíka sú potom transportované na povrch grafitového substrátu nosným plynom a riediacim plynom a potom sú adsorbované na povrchu substrátu vo forme adsorpcie. Medzi malými molekulami prebiehajú chemické reakcie za vzniku malých kvapôčok, ktoré postupne rastú a kvapôčky sa tiež spájajú a reakcia je sprevádzaná tvorbou medziproduktov (plynný HCl). Keď teplota stúpne na 1000 ℃, hustota povlaku SiC sa výrazne zlepší. Je vidieť, že väčšina povlaku sa skladá zo zŕn SiC (s veľkosťou približne 4 μm), ale vyskytujú sa aj niektoré vláknité defekty SiC, čo naznačuje, že pri tejto teplote stále dochádza k smerovému rastu SiC a povlak stále nie je dostatočne hustý. Keď teplota stúpne na 1100 ℃, je vidieť, že povlak SiC je veľmi hustý a vláknité defekty SiC úplne zmizli. Povlak sa skladá z kvapkovitých častíc SiC s priemerom približne 5 až 10 μm, ktoré sú pevne spojené. Povrch častíc je veľmi drsný. Skladá sa z nespočetného množstva nanorozmerných zŕn SiC. V skutočnosti sa proces rastu CVD-SiC pri 1100 ℃ stal riadeným prenosom hmoty. Malé molekuly adsorbované na povrchu substrátu majú dostatok energie a času na nukleáciu a rast do zŕn SiC. Zrná SiC rovnomerne tvoria veľké kvapky. Pôsobením povrchovej energie sa väčšina kvapôčok javí ako guľovitá a kvapôčky sú pevne spojené a tvoria hustý povlak SiC. Keď teplota stúpne na 1200 ℃, povlak SiC je tiež hustý, ale morfológia SiC sa stáva viacvrstvovou a povrch povlaku sa javí ako drsnejší. Keď teplota stúpne na 1300 ℃, na povrchu grafitového substrátu sa nachádza veľké množstvo pravidelných sférických častíc s priemerom približne 3 μm. Je to preto, že pri tejto teplote sa SiC transformoval do plynnej fázy a rýchlosť rozkladu MTS je veľmi rýchla. Malé molekuly reagujú a nukleujú za vzniku zŕn SiC predtým, ako sa adsorbujú na povrch substrátu. Po vytvorení sférických častíc zrná klesnú pod túto teplotu, čo nakoniec vedie k uvoľnenému povlaku častíc SiC s nízkou hustotou. Je zrejmé, že 1300 ℃ nemožno použiť ako teplotu na vytvorenie hustého povlaku SiC. Komplexné porovnanie ukazuje, že ak sa má pripraviť hustý povlak SiC, optimálna teplota nanášania CVD je 1100 ℃.

Obrázok 3 znázorňuje rýchlosť nanášania CVD SiC povlakov pri rôznych teplotách nanášania. S rastúcou teplotou nanášania sa rýchlosť nanášania SiC povlaku postupne znižuje. Rýchlosť nanášania pri 900 °C je 0,352 mg·h-1/mm2 a smerový rast vlákien vedie k najrýchlejšej rýchlosti nanášania. Rýchlosť nanášania povlaku s najvyššou hustotou je 0,179 mg·h-1/mm2. V dôsledku nanášania niektorých častíc SiC je rýchlosť nanášania pri 1300 °C najnižšia, iba 0,027 mg·h-1/mm2.   Záver: Najlepšia teplota pre CVD nanášanie je 1100 ℃. Nízka teplota podporuje smerový rast SiC, zatiaľ čo vysoká teplota spôsobuje nanášanie SiC z plynnej fázy a vedie k riedkemu povlaku. So zvyšujúcou sa teplotou nanášania sa zvyšuje rýchlosť nanášania.CVD SiC povlakpostupne klesá.